FI84393C - Apparat foer foerbraenning av stora partiklar. - Google Patents

Description

1 84393

Laite suurten hiukkasten polttamiseksi

Esillä oleva keksintö kohdistuu suurten hiukkasten palamiseen käytettävään laitteeseen.

Jo v. 1961 esitti F.H. Reynst, että akustisilla värähtelyillä on suotuisa vaikutus palamiseen. Tässä yhteydessä viitataan _ Ikaisuun Pulsating Combustion, s. 13-15, The collected Works of F.H. Reynst, Pergamon Press, New York, 1961. Vaikka värähtelyt olisivat vain heikkoja, kaasun tästä aiheutuva suhteellinen liike polttoainehiukkasten suhteen on riittävä poistamaan palamistuotteiden muodostaman vaipan hiukkasen ympäriltä, mikä aiheuttaa palamisnopeuden suurenemisen. Reynst kuvaa tämän periaatteen sovellutusta hiili-jauheen polttimeen. Polttoaineen ja ilman seos syötetään puhaltimen avulla esipalamiskammioon, joka sijaitsee kahden kartiomaisen kanavan välissä, jotka laajenevat virtauksen suunnassa. Polttoaineen haihtuvat komponentit palavat esi-palamiskammiossa, ja liekki suunnataan liekkiputkeen. Liekin sykähtelyt esipalamiskammiossa leviävät liekkiputkessa, jossa kaasupylväs saatetaan resonanssiin liikkumaan polttoainehiukkasten suhteen, jolloin palaminen nopeutuu, kuten edellä mainittiin.

SE-patenttijulkaisussa 7701764-7 selitetään tapaa polttaa hienojakoisia kiinteitä, juoksevia tai kaasumaisia polttoaineita tämän tavan perustuessa Reynstin esittämään periaatteeseen. Tämän patenttijulkaisun mukaan poltinliekki ei kuitenkaan kehitä värähtelyjä. Äänienergiaa johdetaan pala-misliekkiin ulkopuolisen laitteen, esim. valolähettimen avulla, jolloin äänen taajuus on alueella infraäänitaajuuk-sista ultraäänitaajuuksiin. SE-patenttijulkaisun 7701764-8 mukaista tapaa ei kuitenkaan nähtävästi ole merkittävässä määrin käytetty hyväksi käytännössä, mikä voi viitata siihen, ettei sitä tähän mennessä ole voitu kehittää teollista sovellutusta varten.

2 84393

Samanlaisia menetelmiä on kuvattu CH-patenttijulkaisussa 281 373 ja DE-patenttijulkaisussa 472 812. CH-patenttijulkaisun mukaan värähtelyjä kohdistetaan ainakin palamiskammi-on osaan ja nestemäisiin kaasuihin, ja DE-patenttiselityksen mukaan saatetaan jauhemaisen polttoaineen ja palamisilman samoin kuin sekundäärisen palamisilman dispersio värähtele-mään.

Neuvostoliittolainen keksinjäntodistus 228 216 (V.S. Severyanin) selittää sykähtelevää palamista kerroksessa, jolloin kuuma arina Rijken putkessa on korvattu kiinteällä poltto-ainekerroksella, jossa syntyy vapaa värähtely. Saatu teho on kuitenkin suhteellisen heikko, koska vain itsekehitettyä värähtelyä käytetään hyväksi.

US-patenttijulkaisu 1 173 708 kuvaa polttoaineen polttamiseen käytettyä menetelmää, jossa polttoainekerroksen ritilälle (arinalle) sijoitettuja hiukkasia sekoitetaan sykkivällä palamisilmalla, jota syötetään takaapäin ritilän läpi. Polttoainehiukkaset pidetään leijuvina ilman avulla ja niiden annetaan laskeutua sykähtelyjen välisinä ajanjaksoina.

Keksinnön päätarkoituksena on saada aikaan laite, joka edelleen parantaa äänen suotuisaa vaikutusta palamiseen ja jota voidaan käyttää teollisesti käytännöllisellä tavalla ja erityisesti tarvitsematta hienontaa poltettavaa polttoainetta.

Keksinnön tarkoituksen mukaisesti keksinnön kohteena on suurikappaleisten kiinteiden polttoaineiden polttamiseen käytettävä laite, jolla on patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkit.

Keksinnön yksityiskohtaisempaa selitystä varten viitataan oheisiin piirustuksiin, jotka havainnollistavat keksinnön useita toteutuksia, jolloin 3 84393 kuvio 1 on kaaviollinen pystyleikkauskuva keksinnön mukaisesta, neljännesaaltoresonaattorilla varustetusta ahjosta, kuvio 2 on kaaviollinen pystyleikkauskuva keksinnön mukaisen palamiskammion eräästä toteutuksesta, kuvio 3 on kuviota 2 vastaava kuva toisesta toteutuksesta, kuvio 4 on kuviota 2 vastaava kuva kolmannesta toteutuksesta, kuvio 5 on kuviota 2 vastaava kuva neljännestä toteutuksesta, kuvio 6 on pystyleikkauskuva keksinnön mukaisen, puoliaalto- tyyppisen palamiskammion rakenteellisesta toteutuksesta, kuviot 7 ja 8 ovat diagrammeja, jotka esittävät olosuhteita kuvion G mukaisessa palamiskammiossa, kuvio 9 on kaaviollinen pystyleikkauskuva keksinnön mukaisesta, koimeneljännesaaltoresonaattori11a varustetusta palamiskammiosta, ja kuvio 10 on pystyprojektiokuva kuviossa 9 esitettyjen periaatteiden mukaisen palamiskammion rakenteellisesta toteutuksesta.

Kuviossa 1 esitetään eräs ahjon suoritusmuoto, jossa putkireso-naattori 25, joka on suljettu toisesta päästä ja avoin toisesta päästä ja jonka pituus on neljäsosa kehitetyn äänen aallonpituudesta, yhdessä syöttöyksikön 26 kanssa, jota tässä nimitetään eksigaattoriksi tämän selityksen tarkoitusta varten, muodostaa pientaajuusäänigeneraattorin, jolloin eksigaattori on yhdistetty käyttökaasun syöttöjohtoon 27. Generaattori voi olla tyyppiä, jolla on positiivinen takaisinkytkentä ja jota selitetään US-patenttijulkaisussa 4 359 962. Keksinnön tarkoituk seen voidaan kuitenkin käyttää mitä tahansa muuta infraäänigene-raattoria.

Äänen suurimman taajuuden tulee olla 60 Hz. Edullisesti tulee maksimitaajuuden olla 30 Hz tai pienempi. Optimaalinen taajuus voi kuitenkin olla 20 Hz tai pienempi.

Resonaattorissa on käyrä, avoin pääteosa 28, joka kannattaa aukkoon tai aivan sen yläpuolelle asennettua ritilää. Ritilä kannattaa polttoainekerrosta 12, jossa on suuria, hiilestä, tur- 4 84393 peesta, puusta, lastuista, katkaistuista oksista jne. muodostuvia kiinteitä hiukkasia. Kompressoriin tai puhalluskoneeseen yhdistetty putki 29 päättyy käyrään osaan ritilän alapuolella palamisilman syöttöä varten.

Generaattorin toimiessa saadaan edestakaisin liikkuvalle ilmalle suuri nopeus, jota nimitetään hiukkasnopeudeksi, resonaattorin aukon kohdalla, johon ritilä on sijoitettu. Resonaattiputkea voidaan laajentaa tämän aukkoa kohti diffusorin muodostamiseksi, mutta ritiläpinnan mitat, joka on kääntynyt resonaattoriputken sisäosaa kohti poikittain putkiakselia vastaan olevassa tasossa sen aukon kohdalla, on oltava pienemmät kuin puolet ääniaallon-pituutta, jonka äänigeneraattori kehittää. Edestakaisin liikkuvalle palamisilman ja palamiskaasun liikkeelle saadaan siis suuri nopeus polttoainekerroksen ja ritilän läpi pientaajuisen äänen vaikutuksesta.

Edestakaisin liikkuvan ilman suuren nopeuden vaikutuksesta palaminen on voimakkaampaa, niin että savun sisältämät palamattomat kaasut ja kiinteät hiukkaset vähenevät ja palamisnopeus suurenee.

Keksintöä voidaan myös soveltaa kiinteiden polttoaineiden polttamiseen käytettyihin palamiskammioihin. Kun tällainen polttoaine palaa, on polttoaineen viivyttävä palamiskammiossa riittävän pitkän ajan polttoainekappaleiden loppuunpalamista varten. Tähän tarkoitukseen tarkoitettu kammio on esitetty kaavioi1isesti kuviossa 2, jossa palamiskammio 30 on liitetty pientaajuusääni-generaattoriin 31 generaattorin resonanssiputken suuaukon kohdalla. Äänigeneraattori voi tässäkin tapauksessa olla tyyppiä, jota on selitetty yllä mainitussa patentissa. Palamiskammiossa 30 on arina 12 sovitettu lähelle resonanssiputken suuaukkoa, ja palamiskammiossa 30 on kuilu 32, jossa on esittämättä jätetty sulku, polttoaineen syöttöä varten palamiskammion yläosaan.

Myös tulo-osa 33 on sovitettu ylös palamiskammioon palamisilman syöttöä varten, kun taas savukaasujen poisto-osa 34 on sovitettu 5 84393 alas palamiskammioon arinan 12 alapuolelle. Pientaajuusääni-generaattori vei olla liitetty ylhäällä palamiskammioon, kuten kuviossa 3 esitetään. Kuvion 3 mukaisessa rakenteessa on arinan 12 kuitenkin oltava sijoitettu palamiskammion ylimpään osaan, niin että se sijaitsee lähellä pientaajuusäänigeneraattorin 31 suuaukkoa. Ongelmia voi syntyä, koska arinaan syötettävän polttoaineen tila on rajoitettu, kun arina on sovitettu tällä tavoin. Tältä ongelmalta voidaan välttyä sovittamalla palamislammioon 30 passivinen resonaattori arinan 12 alapuolelle, kuten kuviossa 4 esitetään.

Kuviossa 4 on "passiivinen" resonanssiputki 35, jonka pituus on yhtä suuri kuin aallonpituuden yksi neljäsosa, liitetty palamiskammioon 30 arinan 12 alapuolella palamiskammion toisella sivulla, jolloin äänigeneraattori on liitetty palamiskammioon tämän samalla sivulla mutta arinan 12 yläpuolella. Tässäkin tapauksessa on olemassa kuilu 32 polttoaineen syöttöä varten, johto 33 apuilman syöttöä varten, joka täydentää aluksi äänigeneraattorin 31 käyttöä varten käytettyä ilmaa ja jota sitten käytetään palamisilmana, sekä savukaasun poisto-osa 34. Passiivinen resonaattori 35 muodostuu resonassiputkesta, joka on suljettu ulkopaästaän ja tämän resonaattorin sovituksen ansiosta hiukkasnopeus muodostuu pääasiassa samaksi palamiskammion kaikissa osissa. Myös äänen paine tulee olemaan pääasiassa sama koko palamiskammiossa, mutta pienempi kuin tapauksessa, jossa passiivista resonaattoria ei käytetä.

Ilmamäärä liikkuu edestakaisin ei vain pientaajuusgeneraattorin suuaukossa, vaan myös passiivisen generaattorin suuaukossa, ja tämän seurauksena esiintyy suuria ilman ja palamiskaasun liikkeitä arinan läpi, jolloin palaminen tehostuu tällaisen liikkeen ansiosta aiemmin selitetyllä tavalla.

Palamiskammiossa voi olla lämpöä absorboivat seinät.

Palamiskammion seinät voivat esimerkiksi olla sovitetut veden kiertoa varten niissä, ja palamiskammioon sisään voidaan sovittaa vesiputkia jonakin aiemmin tunnettuna järjestelynä käyttämllä 6 84393 tunnettua tekniikkaa. Savukaasun lisäjäähdytys voi kuitenkin olla tarpeen. Jos savukaasu poistetaan palamiskammiosta passiivisen resonaattorin suuaukon kautta, kuten kuviossa 5 esitetään, jossa savukaasun poisto-osa 34 on sovitettu passiivisen resonaattorin 35 seinään tämän resonaattorin toiminta ei häiriinny.

Koska kaasun lämpötila pientaajuusäänigeneraattorin resonaattorissa ei ole sama kuin kaasun lämpötila passiivisessa resonaattorissa, täytyy molemmat resonaattorit mitoittaa ottaen huomioon erilaiset lämpötilat. Käytön aikana lämpötila voi kuitenkin vaihdella, ja toisen resonaattorin virittämiseksi toisen mukaan kunakin ajankohtana voisi toinen resonaattori, esim. äänigeneraattorin resonaattori, olla varustettu paljejärjestelmällä 36, niin että sen pituutta voidaan säätää, kuten kuviossa 5 esitetään. Tämän järjestelyn paljejärjestelmän on oltava varustettu säätö-mekanismilla, joka on toiminnallisesti yhdistetty paineanturiin 37 passiivisen generaattorin suljetussa päässä paljejärjestelmän pituuden ja niin ollen äänigeneraattorin 31 resonaattorin pituuden säätämiseksi ilman paineen mukaan passiivisen resonaattorin 35 suljetussa päässä, niin että äänigeneraattorin resonaattorilla on kunakin ajankohtana optimaalinen pituus maksimaalista tehoa varten.

Jos palamiskammion mitat ovat pienet verrattuna aallonpituuteen, niin että ne ovat pienemmät kuin puolet aallonpituudesta, voivat resonaattoriputket yhdessä palamiskammion kanssa muodostaa yhden ainoan resonaattorin. Kuviossa 6 on resonaattori 31 puoliaalto-tyyppiä, jolloin se on suljettu molemmista päistä. Arina 12 sijaitsee resonaattorin pituuden keskellä, jossa hiukkasnopeus on laajentunut. Resonaattorin osassa, johon arina on sijoitettu, on resonaattori laajennettu sen sovittamiseksi palamiskammion sopivaan muotoon. Palamisilma voidaan syöttää palamisprosessiin eksigaattorin avulla, jolla on positiivinen takaisinkytkentä ja joka on US-patenttijulkaisussa 4 359 962 selitettyä tyyppiä, jolloin se samalla toimii eksigaattorin käyttökaasuna. Savukaasujen poisto voidaan saada aikaan samalla tavoin samantyyppisen eksigaattorin kautta, mutta joka tässä tapauksessa toimii negatiivisella takaisinkytkennällä.

7 84393

Kuvion 7 käyrät esittävät äänen paineen ja vastaavasti hiukkas-nopeuden amplitudeja kylmässä tilassa. Äänen paineen p-solmu ja hiukkasnopeuden u-kaari sijaitsevat resonaattorin pituuden keskella.

Kuviossa 8 esitetyt käyrät esittävät amplitudeja käytön aikana eli lämpimässä tilassa, jolloin savukaasujen lämpötila saa solmun ja vastaavasti, kaaren liikkumaan pois resonaattorin pituuden keskeltä. Jotta arina saataisiin sijoitetuksi hiukkasnopeuden kaareen, on resonaattorin kylmempi osa (johon palamisilmaa syötetään) tehty lyhyemmäksi kuin resonaattorin lämpimämpi osa (josta savukaasu poistetaan).

Eräs käytännön ongelma on eksigaattorin käyttö savukaasuilla, koska kaasu on lämmintä ja mahdollisesti pölyn likaamaa.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi on resonaattori pidennetty, niin että muodostuu kolmeneljännesaaltoresonaattori, joka on suljettu toisesta päästä ja avoin toisesta. Savukaasut voidaan poistaa avoimesta päästä tavanomaisella tavalla eksigaattoria käyttämättä. Tämä järjestely on esitetty kuviossa 9, jossa resonaattorin kylmempi osa on lyhyempi kuin lämpimämmän osan puoli pituutta ja on pituudeltaan säädettävä kaaren oikean sijoituksen helpottamiseksi .

Kolmeneljäsosa-aaltoresonaattori ei toimi ensimmäisellä yli-äanellään, jollei se ole liitetty kompensaatio-onteloon, joka muistuttaa suunnilleen vapaata ääniaallon leviämistä.

Kolmeneljäsosa-aaltoresonaattorin pysykää aaltoa ylläpidetään resonaattorin suljettuun, tässä tapauksessa kylmempään päähän syötetyn painekaasun pulseilla. Tällöin näillä kaasupulssei1la on välttämättä oltava resonaattorin ensimmäisen yliäänen taajuus. Eräs tapa tämän varmistamiseksi on käyttää aiemmin mainittua eksigaattoria, jolla on positiivinen takaisinkytkentä.

Resonaattorin lämpimämmän osan pituuden keskellä hiukkasnopeus on minimissä, minkä vuoksi pöly ja muut kiinteät hiukkaset, 8 84393 jotka seuraavat resonaattorin läpi kulkevien savukaasujen mukana, putoavat ulos. Sen tähden resonaattori on tässä kohdassa laajennettu erottimen 39 muodostamiseksi, josta pöly ja muut kiinteät hiukkaset kootaan säiliöön 40.

Kuvio 10 esittää sen järjestelmän erästä käytännön rakenteellista toteutusta, jota käsiteltiin periaatteessa yllä viitaten kuvioon 9. Tässä toteutuksessa käytetään US-patentissa 4 359 962 selitettyä tyyppiä olevaa eksiqaattoria 50. Paineilma syötetään puhalluskoneen 51 avulla, joka on johdolla 52 liitetty eksigaat-toriin 50. Putkiosa 53, jonka toisessa päässä eksigaattori sijaitsee, on toisesta päästään liitetty lieriömäisen pystysuoran palamiskammion 54 yläosaan. Palamiskammio on alhaalla liitetty toiseen putkiosaan 55. Lieriömäiseen palamiskammioon 54 on sovitettu kaksi arinaa 56 ja 57 pääasiassa kammion pituuden keskelle, toinen toisen yläpuolelle. Nämä arinat on tässä esitetty tavanomaisina tasoarinoina, mutta ne voivat myös olla muuntyyppisiä.

Ne voivat esim. olla pyramidi tyyppiä tai ne voidaan myös korvata yhdellä ainoalla arinalla, joka ulottaa kierukkamaisesti ylemmältä tasolta alemmalle tasolle.

Syötin 58 on liitetty palamiskammioon ylhäällä suurikappaleisen polttoaineen syöttöä varten, jolloin syöttimessä on sulku 59 polttoaine-erien syöttöä varten jaksottaisesti palamiskammioon. Palamisilmaa syötetään puhalluskoneella 51 eksigaattorin 50 läpi, ja apupalamisilmaa imetään polttokammioon 54 kuristetun tulo-osan 60 kautta kammiossa vallitsevan alipaineen vaikutuksesta.

Palamiskammion alaosaan on sovitettu tuhkasäiliö 61 tuhkan keräystä varten, jolloin tämä säiliö on erotettu työntöluukulla 62.

Putkiosat 53 ja 55 muodostavat yhdessä palamiskammion 54 kanssa kolmeneljäsosa-aaltoresonaattorin, jonka avoin pää on liitetty kompensaatio-onteloon 63. Tämä ontelo voi olla varustettu laitteella siihen putoavan pölyn ja muiden kiinteiden hiukkasten erottamista varten, vaikka tällaista laitetta ei esitetä tässä.

9 84393

Kompensaatio-ontelon 63 pohjan lähellä on savukaasukanava 64 liitetty poistopuhaltimeen 65 savukaasujen poistoa varten ilmakehään savupiipun 66 kautta.

Palamiskammio 54 on varustettu vesivaipalla veden kiertoa varten, joka absorboi lämpöä, jota muodostuu palamiskammiossa, ja myös resonaattoriputkiosa 55 on varustettu vesivaipoilla 67 ja 68 savukaasujen jäähdytystä varten, kun ne kulkevat resonaattorin läpi niiden sisältämän lämmön talteenottoa varten.

Kuviossa 10 esitetyssä laitoksessa poltettiin kaikkiaan 300 kg kivihiiltä 6 tunnin aikana. Saatu keskivertoteho oli 349 kW. Savukaasuilla savupiipussa oli hyvin pieni pölyn ja muiden kiinteiden hiukkasten pitoisuus. Tämä on merkittävä havainto, sillä kun kivihiiltä poltetaan rakenteeltaan tavanomaisissa uuneissa ja kattiloissa, on savukaasujen pölyn ja muiden kiinteiden hiukkasten pitoisuus, ennenkuin kaasu johdetaan pölynerottimen läpi, suuruusluokaltaan 1 g/normaalikuutiometriä kaasua, kun sen sijaan keksinnön mukaisessa järjestelmässä vastaava luku oli vain 50 mg. Savupiipusta ei voitu havaita savua. Pölyn ja muiden kiinteiden hiukkasten pieni pitoisuus johtuu siitä, että suuri hiukkasnopeus polttoainekerroksen yli saa aikaan kivihiilen pääasiassa täydellisen palamisen, niin että savukaasut eivät sisällä palamattomia hiilihiukkasia.

Tavallisesti pölyn ja muiden kiinteiden hiukkasten pitoisuuden ja savukaasujen hiilimonoksidin pitoisuuden välillä on olemassa suhde. Tämä johtuu siitä, että pölyä ja muita kiinteitä hiukkasia sekä hiilimonoksidia syntyy, kun palaminen on epätäydellinen. Yllä selitetyssä kokeessa on todettu, että hiilimonoksidipitoisuus oli hyvin pieni, mikä edelleen vahvistaa äänen avulla tapahtuvan käsittelyn suotuisaa vaikutusta.

Claims (6)

10 84393

1. Laite suurikappaleisen polttoaineen, kuten hiilen, polttamiseksi käsittäen arinan suurikappa1eisen hiilikerrok-sen, kiinteän polttoaineen kannattamiseksi palamiskammiossa ja ulkopuolisen äänigeneraattorin mata lataajuuksisten ääniaaltojen synnyttämiseksi, joka äänigeneraattori on sijoitettu arinan suhteen siten, että polttoaineen ohi kulkeva pa-lamieilma jr palamiskaasu saatetaan ääniaaltojen alaisiksi, tunnettu siitä, että äänigeneraattorin makeimitaajuus on 60 Hz, ja että arinan mitat suorakulmaisesti palamisilman ja pa-lamiskaasun edestakaista liikettä vastaan ovat pienemmät kuin äänigeneraattorissa kehitetyn äänen puoli aallonpituutta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä että pientaajuusäänigeneraattoriin kuuluu resonaattori, jonka mitat määräävät äänigeneraattorin taajuuden.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä että pientaajuusäänigeneraattorin resonaattori on liitetty palamiskammioon.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä että resonaattori on laajennettu mainitussa kohdassa palamis-kammion muodostamiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että palamiskammion mitat ovat pienemmät kuin pientaa-juusäänigeneraattorin puoli aallonpituutta.

6. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä että palamiskammio muodostaa resonaattorin osan sen päiden välissä, joka osa on sijoitettu kohtaan, jossa hiukkasnopeus on suurin. 11 84393